Фамилия Демишина — женская форма фамилии Демишин. В её основе лежит прозвищное имя Демиша, которое на Руси было распространённой сокращённой формой сразу нескольких крестильных имён. Чаще всего так называли Дементия (от латинского domitius — «укрощающий»), Демида (от греческого «свет божий») или Демьяна (от греческого «покоритель»). Такая многозначность — обычное дело для русских фамилий, образованных от разговорных вариантов имён: один и тот же корень мог обслуживать несколько полных имён.

Фамилия образована по типичной модели с суффиксом -ин. В русской ономастике этот суффикс указывает на принадлежность: Демишин буквально означает «сын Демиши» или «человек из рода Демиши». Такие фамилии чаще всего встречались в среде крестьян и посадских людей, где прозвищные имена были нормой, а не исключением. Скорее всего, основатель рода Демишиных не принадлежал к дворянству — фамилии на -ин в массе своей закреплялись за простыми сословиями, особенно в северных и центральных губерниях России.

Интересная деталь: в отличие от фамилий на -ов/-ев, которые образовывались от имён на твёрдый согласный, модель на -ин чаще цеплялась к основам на -а/-я. Демиша — как раз такой случай. Если бы в основе лежала полная форма Дементий, фамилия звучала бы как Дементьев. Выбор именно производной формы Демиша говорит о том, что имя в быту использовали постоянно, а не только в официальных записях. Это косвенно подтверждает народное, не книжное происхождение фамилии.